ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC ΜΕ ΠΗΓΗ, ΩΜΙΚΟ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΗ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC ΜΕ ΠΗΓΗ, ΩΜΙΚΟ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΗ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΗΡΑ"

Κίμων Φιλιππίδης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 1 ο ΕΚΦΕ (Ν. ΣΜΥΡΝΗΣ) Δ Δ/ΝΣΗΣ Δ. Ε. ΑΘΗΝΑΣ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC Α. ΣΤΟΧΟΙ Η ικανότητα συναρμολόγησης απλών πειραματικών κυκλωμάτων του ηλεκτρικού ρεύματος. Η εξοικείωση με το πολύμετρο που χρησιμοποιείται σαν βολτόμετρο, αμπερόμετρο και ωμόμετρο, τα οποία είναι βασικά όργανα μέτρησης στον ηλεκτρισμό. Η εξοικείωση στη χρήση ηλεκτρικών πηγών. Η αντιμετώπιση πρακτικών προβλημάτων κατά τη λειτουργία των κυκλωμάτων. Η κατανόηση της έννοιας του σφάλματος κατά τη μέτρηση. Β. ΘΕΜΑ Η μέτρηση ωμικών αντιστάσεων με ωμόμετρο και ο υπολογισμός τους. Η μέτρηση της έντασης του ρεύματος, που διαρρέει το κύκλωμα και των τάσεων στα άκρα της πηγής (πολική τάση), στα άκρα του αντιστάτη και στα άκρα του κινητήρα. Ο πειραματικός προσδιορισμός της ισχύος των στοιχείων ενός κυκλώματος με τη βοήθεια μετρήσιμων μεγεθών. Η επιβεβαίωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η παρατήρηση της αλλαγής της συμπεριφοράς ενός πραγματικού απλού κινητήρα κατά τη μετάβαση από την κατάσταση «περιστρεφόμενος άξονας» στην κατάσταση «μη περιστρεφόμενος άξονας». Ο υπολογισμός της απόδοσης ενός ηλεκτρικού κινητήρα. Ο υπολογισμός των σχετικών σφαλμάτων στον υπολογισμό της ΗΕΔ της πηγής, της αντίστασης του κινητήρα και της ολικής ισχύος στο κύκλωμα. Γ. ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Μπαταρία πλακέ των 4,5 V Μικρός ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος ( V max = 5 V ) Αντιστάτης με ονομαστική τιμή αντίστασης 10 Ω Βολτόμετρο συνεχούς ( πολύμετρο ) Αμπερόμετρο συνεχούς ( πολύμετρο ) Ωμόμετρο ( πολύμετρο ) Διακόπτης μπουτόν Αγωγοί σύνδεσης Δ. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Για την πραγματοποίηση και κατανόηση της άσκησης χρειάζονται οι παρακάτω γνώσεις από το σχολικό βιβλίο Γενικής Παιδείας της Β τάξης Γενικού Λυκείου : Ενότητα : Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος Ενότητα : Ηλεκτρεγερτική δύναμη πηγής Ενότητα : Νόμος του Ohm για κλειστό κύκλωμα Ενότητα : Αποδέκτες

2 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC Ε. ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ α) Ο άξονας του κινητήρα περιστρέφεται Η ηλεκτρική πηγή ( μπαταρία ) παρουσιάζει μια εσωτερική αντίσταση r, η οποία βρίσκεται από τη σχέση : V π = Ε Ι r r = ( E V π ) / Ι Η ηλεκτρική ισχύς, που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα, είναι : P Ε = E I Ένα μέρος της ηλεκτρικής ισχύος της πηγής μετατρέπεται σε θερμική ισχύ r στην εσωτερική της αντίσταση r της πηγής : r = I 2 r Η θερμική ισχύς R που καταναλώνεται στον ωμικό αντιστάτη είναι : R = I 2 R Η ηλεκτρική ισχύς P κ που καταναλώνεται στον κινητήρα είναι : Ρ κ = V κ Ι Η θερμική ισχύς r που καταναλώνεται στην ωμική αντίσταση r κ του κινητήρα, όταν περιστρέφεται, είναι : r = I 2 r κ Η μηχανική ισχύς που παρέχει ο κινητήρας είναι : Ρ μ = Ρ κ Η ολική ισχύς που καταναλίσκεται στο κύκλωμα είναι : Ρ ολ = r + R + r + Ρ μ = P Ε Η απόδοση του κινητήρα είναι : α % = ( Ρ μ / Ρ κ ) 100 % β) Ο άξονας του κινητήρα εμποδίζεται να περιστραφεί Σ αυτή την περίπτωση το ρεύμα γίνεται μέγιστο Ι max και η τάση στα άκρα του κινητήρα γίνεται V κ, οπότε η ωμική αντίσταση του κινητήρα είναι : r κ = V κ / Ι max Η ΗΕΔ της πηγής από το νόμο του Ohm σε κλειστό κύκλωμα χωρίς να επιτρέπεται η περιστροφή του άξονα του κινητήρα είναι : Ε = Ι max ( r + R + r κ ) r ΣΤ. ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Προσέχουμε τη σύνδεση των οργάνων μέτρησης, γιατί έχουν επιλογέα περιοχών μέτρησης, πολλές υποδοχές και συγκεκριμένη πολικότητα. Για ωμόμετρο θα χρησιμοποιηθεί ένα πολύμετρο : στην κλίμακα 200 Ω και στους ακροδέκτες Ω + & COM Για αμπερόμετρο θα χρησιμοποιηθεί ένα πολύμετρο : στην κλίμακα Α 2 Α και στους ακροδέκτες A + & COM Για βολτόμετρο θα χρησιμοποιηθεί ένα πολύμετρο : στην κλίμακα V 20 V και στους ακροδέκτες V + & COM Ζ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Λήψη μετρήσεων 1. Πραγματοποιούμε τη συνδεσμολογία του σχήματος, συνδέοντας σε σειρά την μπαταρία, τον αντιστάτη «10 Ω», τον κινητήρα, το αμπερόμετρο και τον διακόπτη μπουτόν. 2. Με ανοικτό το κύκλωμα μετράμε την τάση V πο στους πόλους της πηγής με ανοικτό το κύκλωμα και καταγράφουμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ 1.

3 1 ο ΕΚΦΕ (Ν. ΣΜΥΡΝΗΣ) Δ Δ/ΝΣΗΣ Δ. Ε. ΑΘΗΝΑΣ 3 3. Με ανοικτό το κύκλωμα μετράμε με το ωμόμετρο την ωμική αντίσταση R και την καταγράφουμε στον ΠΙΝΑΚΑ Με ανοικτό το κύκλωμα μετράμε με το ωμόμετρο την ωμική αντίσταση r κ του κινητήρα και την καταγράφουμε στον ΠΙΝΑΚΑ Κλείνουμε το κύκλωμα με τον διακόπτη μπουτόν Δ και μετράμε την ένταση Ι του ρεύματος. Κατόπιν με ένα βολτόμετρο μετράμε διαδοχικά την πολική τάση V π της πηγής, την τάση V R στα άκρα του αντιστάτη και την τάση V κ στα άκρα του κινητήρα. Καταχωρούμε τις παραπάνω τιμές στον ΠΙΝΑΚΑ Με κλειστό το κύκλωμα εμποδίζουμε για λίγο με τα δάκτυλά μας την περιστροφή του άξονα του κινητήρα και μετράμε τη (μέγιστη) ένταση Ι max του ρεύματος, που διαρρέει το κύκλωμα σ αυτή την περίπτωση και την αντίστοιχη τάση V κ στα άκρα του κινητήρα. Καταγράφουμε τις τιμές στον ΠΙΝΑΚΑ 1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Μ Ε Γ Ε Θ Ο Σ Τ Ι Μ Η Τάση στους πόλους της πηγής (για Ι = 0) με βολτόμετρο V πο V Αντίσταση αντιστάτη (ονομαστικής τιμής 10 Ω) με ωμόμετρο R Ω Ωμική αντίσταση κινητήρα με ωμόμετρο r κ1 Ω Ένταση ρεύματος με περιστροφή του άξονα του κινητήρα I A Πολική τάση πηγής με περιστροφή του άξονα του κινητήρα V π V Τάση στα άκρα του αντιστάτη με περιστροφή του άξονα V R V Τάση στα άκρα του κινητήρα με περιστροφή του άξονα V κ V Ένταση ρεύματος χωρίς περιστροφή του άξονα Ι max A Τάση στα άκρα του κινητήρα χωρίς περιστροφή του άξονα V κ V Επεξεργασία μετρήσεων 1. Υπολογίζουμε την ΗΕΔ E 1 της πηγής από την τάση V πο στους πόλους της για Ι = Υπολογίζουμε την εσωτερική αντίσταση r της πηγής, όταν περιστρέφεται ο άξονας του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την εσωτερική αντίσταση r κ2 του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την ΗΕΔ E 2 της πηγής από το νόμο του Ohm για κλειστό κύκλωμα και την καταχωρούμε στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την ηλεκτρική ισχύ Ρ Ε, που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα, όταν περιστρέφεται ο άξονας του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε τη θερμική ισχύ Ρ r, που καταναλώνεται στο εσωτερικό της πηγής, όταν περιστρέφεται ο άξονας του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε τη θερμική ισχύ Ρ R, που καταναλώνεται στον αντιστάτη, όταν περιστρέφεται ο άξονας του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε τη θερμική ισχύ r, που καταναλώνεται στην εσωτερική αντίσταση του κινητήρα, όταν περιστρέφεται ο άξονας και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την ηλεκτρική ισχύ Ρ κ, που καταναλώνεται στον κινητήρα, όταν περιστρέφεται ο άξονας και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την μηχανική (ωφέλιμη) ισχύ Ρ μ του κινητήρα, όταν περιστρέφεται ο άξονας και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε την ολική ισχύ Ρ ολ που καταναλίσκεται στο κύκλωμα, όταν περιστρέφεται ο άξονας και καταχωρούμε την τιμή της στον ΠΙΝΑΚΑ 2.

4 4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC 12. Υπολογίζουμε την απόδοση α % του κινητήρα και καταχωρούμε την τιμή του στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε το σχετικό σφάλμα σ rκ % μεταξύ των δύο τιμών της ωμικής αντίστασης του κινητήρα του ΠΙΝΑΚΑ 1 (με ωμόμετρο) και του ΠΙΝΑΚΑ 2 (με υπολογισμό) και καταχωρούμε την τιμή του στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε το σχετικό σφάλμα σ Ε % μεταξύ των δύο τιμών της ΗΕΔ και καταχωρούμε την τιμή του στον ΠΙΝΑΚΑ Υπολογίζουμε το σχετικό σφάλμα σ Ρ % μεταξύ της ισχύος Ρ Ε της πηγής και της ολικής ισχύος Ρ ολ στο κύκλωμα του ΠΙΝΑΚΑ 2 και καταχωρούμε την τιμή του στον ΠΙΝΑΚΑ 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Μ Ε Γ Ε Θ Ο Σ Τ Ι Μ Η ΗΕΔ πηγής (από πολική τάση για Ι = 0) Ε 1 = V πο Ε 1 V Εσωτερική αντίσταση πηγής r = ( E 1 V π ) / Ι r Ω Ωμική αντίσταση κινητήρα με υπολογισμό r κ2 = V κ / Ι max r κ2 Ω ΗΕΔ πηγής με νόμο Ohm Ε 2 = Ι max ( r + R + r κ1 ) Ε 2 V Ηλεκτρική ισχύς πηγής (ολική ισχύς) P Ε = E 1 I P E W Θερμική ισχύς στο εσωτερικό της πηγής Θερμική ισχύς στον αντιστάτη R Θερμική ισχύς στον κινητήρα r = I 2 r P r W R = I 2 R P R W r = I 2 r κ1 r W Ηλεκτρική ισχύς στον κινητήρα Ρ κ = V κ Ι Ρ κ W Μηχανική ισχύς κινητήρα Ρ μ = Ρ κ Ολική ισχύς στο κύκλωμα Ρ ολ = r + R + r P μ W r + Ρ ολ W Απόδοση κινητήρα α % = ( Ρ μ / Ρ κ ) 100 % α % % Σφάλμα αντίστασης κινητήρα rκ = ( r κ1 r κ2 / r κ1 ) 100 % rκ % % Σφάλμα ΗΕΔ = ( Ε 1 Ε 2 / Ε 1 ) 100 % σ Ε % % Σφάλμα ολικής ισχύος Ρ = ( Ρ Ε Ρ ολ / Ρ Ε ) 100 % Ρ % % 16. Συγκρίνουμε τις εντάσεις του ρεύματος που διαρρέει τον κινητήρα όταν στρέφεται και όταν εμποδίζεται να περιστραφεί ο άξονάς του και διατυπώνουμε στον ΠΙΝΑΚΑ 3 το ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ 1 διαγράφοντας τις κατάλληλες υπογραμμισμένες λέξεις. 17. Συγκρίνουμε την ισχύ της πηγής P Ε και την ολική ισχύ στο κύκλωμα Ρ ολ = r + R + r +, λαμβάνοντας υπόψη και το σχετικό σφάλμα μεταξύ τους και συμπληρώνουμε στον ΠΙΝΑΚΑ 3 το ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ 2 περί της αρχής διατήρησης της ενέργειας, διαγράφοντας τις κατάλληλες υπογραμμισμένες λέξεις. 18. Λαμβάνοντας υπόψη την απόδοση του κινητήρα, συμπληρώνουμε στον ΠΙΝΑΚΑ 3 το ΣΥΜΠΕ- ΡΑΣΜΑ 3.

5 1 ο ΕΚΦΕ (Ν. ΣΜΥΡΝΗΣ) Δ Δ/ΝΣΗΣ Δ. Ε. ΑΘΗΝΑΣ 5 ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1. Όταν εμποδίζεται η περιστροφή του άξονα του κινητήρα, τότε η ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει αυξάνεται / παραμένει ίδια / μειώνεται, οπότε η συμπεριφορά του κινητήρα είναι ίδια / διαφορετική στις δύο περιπτώσεις. 2. Το σφάλμα μεταξύ της ισχύος P Ε της πηγής και της ολικής ισχύος Ρ ολ στο κύκλωμα είναι / δεν είναι σχετικά μικρό, οπότε η σχέση P Ε = Ρ ολ = r + R + r + Ρ μ επιβεβαιώνεται / δεν επιβεβαιώνεται από το πείραμα. 3. Ο κινητήρας μετατρέπει / δεν μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια κατά μεγάλο μέρος σε μηχανική ενέργεια και επομένως είναι / δεν είναι αποδέκτης. Η. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Πού οφείλεται η διαφορά στον υπολογισμό της ΗΕΔ της πηγής με τους δύο τρόπους ; 2. Πού οφείλεται η διαφορά στον υπολογισμό της ωμικής αντίστασης r κ του κινητήρα με τους δύο τρόπους ; 3. Ποια σχέση πρέπει να συνδέει τις τάσεις V π, V R και V κ, που μετρήσαμε στον ΠΙΝΑΚΑ 1 ; Ισχύει η σχέση ; 4. Πώς μπορούμε να εξηγήσουμε την αύξηση της έντασης του ρεύματος στο κύκλωμα, όταν εμποδίζουμε τον άξονα του κινητήρα να στρέφεται ;

6 6 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΑΠΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ DC

Σχετικά έγγραφα

ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ OHM ( σε αντιστάτη και λαμπτήρα )

1 ο ΕΚΦΕ (Ν. ΣΜΥΡΝΗΣ) Δ Δ/ΝΣΗΣ Δ. Ε. ΑΘΗΝΑΣ 1 ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ OHM ( σε αντιστάτη και λαμπτήρα ) Α. ΣΤΟΧΟΙ Η ικανότητα συναρμολόγησης απλών πειραματικών κυκλωμάτων του ηλεκτρικού ρεύματος. Η εξοικείωση με το